解析度天花板?聊聊大光圈標準鏡頭光學設計

2020-12-03 玩機小胖

標頭反望遠設計的歷史到今年也不過6個年頭,首創者蔡司Otus 55從光學角度的各個方面來看都依然牢牢坐穩第一把交椅,從目前的光學材料進步速度來看,我認為未來幾十年內包括蔡司自己都沒有辦法再突破這個由它親手打造的天花板。但好在這個天花板實在是夠高,;;留足了空間讓其他品牌做新設計競爭,典型的產品有適馬50ART、索尼55mm F1.8、佳能RF50等等,而且毫無疑問這些鏡頭相對雙高斯來說都有著相當大幅度的性能提升,而且當索尼55mm F1.8這種乍一看很「小痰盂」規格的鏡頭也要小5000時,大家就應該清楚一個事實:性能與堆料在設計合理的情況下往往是正比關係,而不要被最簡單的紙面規格所迷惑。

而今天我想跟大家聊的是適馬40mm F1.4 ART,而聊它就必然繞不開與它非常接近的50mm F1.4 ART,雖然明顯它們不存在替代關係,但從設計來說,兩者卻有相當多的類似之處,甚至可以說40mm F1.4 ART是踩在50mm F1.4 ART經驗之上的作品。

先看50mm F1.4 ART,相信使用它的朋友應該有很多,而它的問題是:

1、第一片第二面和第二片第一面曲率半徑接近,容易產生眩光。

2、第三組的三膠合設計就目前來看已經不算合理,夾在中間的負鏡光軸位置厚度很薄,兩次粘膠的應力很容易導致面型變化,影響良品率。

3、體型較為龐大,而且從結果來看色差控制相對一般。

而接著再看40mm F1.4 ART,會發現它針對上述問題既有改進,但也有更「喪心病狂」的突破:

1、兩者的後組都是非對稱雙高斯,細節用料不太一樣,但都是反望遠起頭。40mm F1.4 ART沒有了近似曲面半徑的鄰接面,順帶就降低了對增透膜的要求,也沒有三膠合,設計思路明顯更成熟,但不少膠合組的負鏡中心依然存在厚度偏薄的問題,但畢竟是單次粘膠,相對要穩妥一點。

2、仔細看前組,不難發現40mm F1.4 ART在這裡就會產生2次光路轉折,再加上第六片低色散鏡片的第二面是一個小曲率半徑設計,以及第二三片直接上了FLD(也就是低折射低色散高異常分散的人造螢石),所以很明顯,這是一顆適馬卯足全力要追高解析度的鏡頭。

後組結構面對的光線行程相對緩和一點,適馬為它的2個連續正負膠合組奉上了SLD和FLD,其實如果這裡採用垂軸像差異號的對稱型結構,可能更符合追求極限解析度的設計目標,沒有這麼設計的原因我猜測是因為適馬缺乏像佳能BR那樣的短波長高折射技術,沒有辦法在後端做軸向色差的校正,而且現有結構的性能已經達到設計目的了。

收尾的位置又在繼續上了一塊SLD,最末則是非球面鏡片,適馬ART定焦常見這個設計,不過我覺得如果能在前面用非球面效果會更好,當然價格會再漲一截,而且如果單純只看消球差,只要牌號和面型選擇合理,球面透鏡也能很大程度解決這個問題。

事實上,適馬40mm F1.4 ART的光學結構與自家40mm T1.5 FF電影鏡頭一模一樣(其實50ART和50mm T1.5 FF也是如此):

換言之這是一顆電影鏡頭設計完全下放的產物,要知道40mm T1.5 FF的售價(3499美元)是足足是40mm F1.4 ART(1399美元)的2.5倍,當然兩者在配套功能設計上完全不同。而目前有相當部分的民用鏡頭已經觸及到了電影鏡頭的設計,高性能民用鏡頭進入到電影領域也並不稀奇,比如蔡司Otus系列就因其像場覆蓋大,綜合素質強,價格相對便宜而應用在不少電影項目當中。

從官方的鏡頭MTF來看,適馬40mm F1.4 ART可以說是相當彪悍的存在,不僅把設計思路近似的佳能35mm F1.4 II踩在腳下,與Otus 55mm幾乎是齊頭並進甚至表現更為出色,真香。

在測試前,大家要知道幾個小知識點:官方MTF自動設計階段的目標值,實際值往往會因為冷加工、裝配等存在偏差(可能更好也可能更壞,所以嚴格來說每次都算在抽獎),而且MTF遠不止廠商宣傳裡給到的這一種表達式,回頭有時間的時候再專門就MTF來寫一寫吧,感覺很多人對它都有深深的誤解。

而且最終的輸出MTF要級聯傳感器的解析度來進行考量,以8688x5792的5DS為例,單個像素寬度為4.14微米,而在設計鏡頭時會以1000/(4x4.14)=60lp/mm作為極限評價條件,這是因為奈奎斯特採樣頻率僅僅2倍對大多數情況而言是不夠的,所以提高到4倍,換算為更常見的LW/PH,也就是傳感器縱向可辨別的線條總數,就是2x60x24=2880LW/PH(即便是放寬鬆一點,3500LW/PH也已經幾乎到頂),超過這個值就意味著超出了傳感器的性能範疇,需要更高像素密度或更大傳感器尺寸來解決。順帶一說,即便是看可見光譜的長波端,現有相機傳感器像素密度也遠遠沒有達到光學衍射極限,而相當多的非微距定焦鏡頭設計像場也比實際應用要大不少,所以做更大畫幅和更多像素是非常有意義的事情。

適馬40mm F1.4 ART在5DSR上光圈全開,中心部分MTF50(也就是經鏡頭傳遞後對比度保留50%)截止頻率都可以突破2600LW/PH,收到F2.8可以達到3400LW/PH,甚至極限邊緣都能衝到快2700LW/PH,可以說即便5000萬像素的5DSR也已經幾乎快成為適馬40mm F1.4 ART的瓶頸……好在它的像場能夠覆蓋44x33畫幅,換言之它可以轉接到1億像素GFX100上,組建原生卡口不可能出現的31.2mm F1.1,充分發揮焦內高解析度和更暴力的同構圖焦外虛化……

上個實拍圖吧,對比一下以高解析度而著稱的移軸TS-E 50mm F2.8,為了免得說欺負人,所以把光圈收到F5.6進行拍攝:

左圖為TS-E 50mm F2.8,右圖為40mm F1,4 ART,均為像場中心,在F5.6時後者的反差和解析度都要略高一點點

順帶一說,看到部分與M43利益相關的人說M43鏡頭解析度比全畫幅更高,但實際上:

先看6999的奧巴45mm F1.2對比5499的適馬85ART,注意:後者要用紅色豎線左側的數據來進行對比,勝負應該是一眼便知。

接著看6599的奧巴25mm F1.2對比4399的適馬50ART,中心部分明顯是適馬勝出,邊緣各有勝負,但奧巴有明顯的像散。

最後看6799的奧巴17mm F1.2對比4699的適馬35ART,中心依然是適馬勝,但奧林巴斯整體要更平順一些。

整個對比下來不難發現即便是M43最強級別的3顆定焦鏡頭,也打不過等效焦距對應的全畫幅適馬ART系列,即便是2040萬像素的M43換算為LW/PH後上限也不到2000,而且價格更貴、虛化/信噪比更差……所以M43無論鏡頭還是系統輸出解析度都不可能超過同時代的更大畫幅機身,輕便才是它唯一的相對優勢(至於現有的視頻功能優勢,其實也只是廠商願不願意下放而已,松下S1H就是個好例子)。

回到40mm F1.4 ART,談適馬鏡頭最無法避免的話題就是對焦精度,而單反對焦的先天結構就限制了它在F1.4這個級別的光圈上即便是中心點,也很難做到十全十美,哪怕我用來測試的是佳能對焦最強的1DX2,也有一定機率出現對焦不實的問題。事實上適馬40mm F1.4 ART目前的最佳舞臺還是在無反上,雖然目前它的E卡口版本還沒開賣只能通過轉接來實現,我將它用佳能原廠轉接環轉接到EOS R,一切功能都可正常使用,對焦,特別是主題偏離中心部分的對焦精度更是有著明顯的提升,可以對比極限邊緣1DX2和轉接EOS R後的區別:

首先很明顯,無反的片上相位差對焦覆蓋面積比單反獨立相位差模塊更大,兩者各自的極限邊緣位置有著本質的區別。

其次,對於這種相對弱光,對焦主體又缺乏反差的環境,單反會很猶豫,並且有較大機率對焦失敗:

無反則要堅決許多,並且準確度更高:

當然,自70D以後的佳能單反在實施取景模式下都能使用片上相位差,實現與自家無反近似的精度,但這顯然有點本末倒置的意思……

配合人臉和眼部識別追焦功能,並開啟自動ISO,40mm F1.4 ART+EOS R在大多數環境下的人像出片率都相當高,上腳架拍攝靜止物體測試也沒有出現跑焦的問題。而在我手裡大多數F1.2、F1.4光圈鏡頭無論是單反版轉接還是無反原生卡口,在EOS R上的自動對焦精度都非常高,即便是理論上會受漸暈影響的極限邊緣區域,連續自動對焦工作表現都很靠譜。

作為一顆F1.4大光圈鏡頭,虛化效果顯然也是考察重點,而虛化基本只看3點:光圈葉片和口徑蝕形成的光斑形狀、軸向色差產生的光斑邊緣色環、非球面波前光程差導致的洋蔥圈。先看中心部分的光斑吧:

很明顯,全開的40mm F1.4 ART光斑很圓,亮度分布均勻,說明球差校正還不錯,有非常輕微的洋蔥圈和軸向色差,素質比較高,想要在視覺效果上明顯比它更柔順就只有上STF了,這也是我很期待RF85DS的原因……接下來看邊緣光斑:

可以看到因球差的關係,導致亮度有呈邊緣集中的現象,而且口徑蝕還是挺明顯。這裡可以簡單說一說,口徑蝕的產生是因為軸外物點發出的光束受遠離光圈的光孔所阻攔,無法全部通過系統的現象,而這個光孔被稱為漸暈光闌,它與光圈的相對位置越遠就越容易產生口徑蝕,而且對於攝影鏡頭來說往往有2個漸暈光闌,一個擋上光線,一個擋下光線。所以單純把前組做大並不意味著口徑蝕就會變小,也不要把口徑蝕變小單純歸功於大口徑前組,必須從整體設計談起,在入瞳和視場都比較大的時候,口徑蝕是不可能完全校正的,而且攔截具備更大像差的軸外光束對成像素質的提升意義更大。雖然也導致暗角,需要靠強吃傳感器底噪來機內校正):

EF卡口邊緣光斑切邊現象依舊,不過這鏡頭即便RAW輸出暗角也並不大,哪怕動態範圍表現不那麼好的佳能機身也吃得下來,接下來研究一下40mm F1.4 ART其他像差的表現吧,首先是色差:

高光比100%放大,可能是認識到50ART消色差做得太收斂,所以這次堆料下手更狠的40ART表現要強很多,不僅焦內基本沒有倍率色差,焦外的軸向色差也很難察覺(即便是5DSR,色差寬度也可以控制在2個像素以內,恐怖如斯),而且即便是F1.4全開的軸外邊緣區域也是如此,可以說校正得非常完全。

然後是彗差和像散:

F1.4全開,極限邊緣有一點彗差的蹤跡,但幅度非常小,對成像影響可以忽略不計……場曲和畸變也幾乎沒有,40mm F1.4 ART這顆鏡頭的像差校正可以說是目前毫無疑問的頂級。

當然,它也有一些不足,首先是眩光略明顯,畢竟它足足有16片鏡片,現有鍍膜就算再強大,針對斜射光線也比較無力:

其次是體型龐大,一顆40mm F1.4鏡頭體重達到了1.2kg,濾鏡達到了82mm,但這種重型設計的結果大家已經看到了……總會聽到有人開玩笑說適馬健身,但事實上在全畫幅無反時代,所有品牌的設計都會把大型化設計作為其中一個重要方向去發展,至少從光學角度來看是有嘗到甜頭,也符合相機產品重回專業化路線的定位。

總的來說,適馬40ART是一顆實力相當突出的標準鏡頭,有著與蔡司Otus一較高下的性能,它的設計可以說是現有優秀思路的集大成者,最重要的是沒有傳統印象裡副廠鏡頭的各種毛病,在原生卡口或轉接無反上都能充分發揮性能,還是那句話:確實很香!

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